Production directe d'acide chlorhydrique anodique et de soude caustique cathodique pendant l'électrolyse de l'eau

Scientific Reports volume 6, Numéro d'article : 20494 (2016) Citer cet article

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L'acide chlorhydrique (HCl) et la soude caustique (NaOH) font partie des produits chimiques les plus utilisés par l'industrie de l'eau. La production électrochimique anodique directe de HCl par électrolyse de l’eau n’a pas été couronnée de succès car les électrodes actuellement disponibles dans le commerce sont sujettes à la formation de chlore. Cette étude présente une technologie innovante générant simultanément du HCl et du NaOH à partir de NaCl à l’aide d’une électrode de dégagement d’oxygène Mn0,84Mo0,16O2,23 pendant l’électrolyse de l’eau. Les résultats ont montré que les protons pouvaient être générés de manière anodique avec une efficacité coulombienne élevée (c'est-à-dire ≥ 95 %), la formation de chlore représentant 3 à 5 % de la charge fournie. Le HCl a été produit de manière anodique à des forces modérées à un CE de 65 ± 4 % ainsi qu'un CE de 89 ± 1 % pour la production de soude caustique cathodique. La réduction du CE pour la génération de HCl a été provoquée par le passage des protons de l'anode au compartiment intermédiaire. Dans l’ensemble, cette étude a montré le potentiel de la génération simultanée de HCl et de NaOH à partir de NaCl et représente une avancée majeure pour l’industrie de l’eau vers la production sur site de HCl et de NaOH. Dans cette étude, de la saumure artificielle a été utilisée comme source d’ions sodium et chlorure. En théorie, la saumure artificielle pourrait être remplacée par des flux de déchets salins tels que le concentré d'osmose inverse (ROC), faisant ainsi du ROC une ressource précieuse.

L'acide chlorhydrique (HCl) et la soude caustique (NaOH) sont tous deux des produits chimiques largement utilisés pour le traitement de l'eau et des eaux usées1,2. Les produits caustiques sont principalement produits dans le procédé chlore-alcali par électrolyse du chlorure de sodium (NaCl) avec production concomitante de chlore2,3. Bien que le HCl ne puisse pas être directement synthétisé au cours de ce processus, il peut être formé en brûlant le chlore et l’hydrogène gazeux produits dans la cathode3. Cependant, le transport, le stockage et la manipulation de HCl et de NaOH concentrés posent de sérieux problèmes de santé et de sécurité au travail (SST) pour l'industrie de l'eau. Comme dans la plupart des cas, les deux composés sont utilisés à des concentrations relativement faibles par l'industrie de l'eau, il existe un intérêt général pour la génération sur site de solutions de HCl et de NaOH de force modérée pour éviter les problèmes susmentionnés. La production sur site éviterait également l'étape de concentration et réduirait ainsi la consommation globale d'énergie.

Les protons (H+) et les ions hydroxyde (OH−) pourraient être produits par électrolyse de l’eau à l’aide d’une cellule électrochimique à deux chambres, l’anode étant alimentée avec de l’eau contenant du NaCl et la cathode alimentée avec de l’eau propre. Cependant, les matériaux d'anode actuellement disponibles dans le commerce, tels que le titane revêtu d'oxyde métallique mixte (MMO) et le diamant dopé au bore (BDD), sont sujets à la formation de chlore, même à de faibles concentrations de chlorure4,5,6. Par conséquent, ces matériaux ne permettent pas la production directe d'HCl à partir de solutions de NaCl.

Pour éviter la formation de chlore, un système électrochimique à cinq compartiments (électrodialyse à membrane bipolaire) a été proposé pour la génération simultanée d'acide et de soude caustique à partir de concentrés d'osmose inverse7. Bien que la faisabilité de la production simultanée d'acide et de soude caustique ait été démontrée, la faisabilité pratique et économique devrait être limitée en raison de la configuration complexe du réacteur et des besoins énergétiques importants du système provoqués par l'utilisation de plusieurs membranes.

Des études antérieures ont montré que le revêtement des électrodes de titane avec des oxydes de manganèse-molybdène au lieu d'Ir MMO diminuait remarquablement l'activité électrocatalytique vers la formation d'hypochlorite8,9,10,11. Alors que ces études visaient à générer de l'hydrogène à partir de l'eau de mer dans des conditions légèrement alcalines ou acides à l'aide de cellules électrochimiques non divisées, les résultats suggèrent que ce matériau pourrait potentiellement empêcher la formation de chlore lors de la production d'acide chlorhydrique à des concentrations modérées. En effet, il a été émis l’hypothèse que les revêtements à base de MnO2 pourraient agir comme une barrière de diffusion pour les ions chlorure. Cela permet la formation d’un degré élevé de polarisation de concentration, augmentant ainsi le surpotentiel de concentration pour la réaction de dégagement de chlore. Par conséquent, le dégagement d’oxygène provenant de l’oxydation de l’eau est favorisé12. Dans ce travail, nous émettons donc l'hypothèse que sans formation de chlore anodique, il serait possible d'utiliser l'anode MnxMoyOz pour produire simultanément du HCl et du NaOH sans avoir besoin de deux membranes bipolaires supplémentaires et d'eau déionisée comme milieu dans l'électrochimie mentionnée ci-dessus. système7. Par conséquent, le système proposé peut fonctionner avec une résistance ohmique beaucoup plus faible et consomme ainsi moins d’énergie.